先进固体NMR技术研究高分子结构与动力学

随着固体NMR理论和谱仪硬件技术的不断发展,近年来固体NMR技术在高分子多尺度结构与动力学研究领域中正发挥着越来越重要的作用. 多脉冲及高速魔角旋转（MAS）等质子高分辨技术的发展使得高灵敏度的¹H谱可有效地用于高分子化学结构与链间相互作用的检测;基于化学键（J-耦合）相关和通过空间（偶极耦合）相互作用的各种二维异核相关谱NMR新技术,使得复杂高分子的链结构得以严格解析. 基于MAS下同核和异核偶极-偶极相互作用、化学位移各向异性等各向异性相互作用重聚的系列新技术,使得研究者可在采用高分辨¹H或¹³C 检测信号的同时检测准静态下的各向异性相互作用,进而获得与之密切相关的结构和动力学信息. 通过质子偶极滤波技术可有效检测多相聚合物中的界面相与相区尺寸、高分子共混物中的相容性等问题. 在动力学的研究中,通过质子间自旋扩散的有效压制技术和化学位移各向异性的重聚,目前已经可以有效地获取链段上单个化学键的快速局域运动以及链段的超慢分子运动. 上述丰富的多尺度NMR技术可以使研究者在不同空间和时间尺度上对高分子聚合物的微观结构、相分离和动力学行为等进行详细的研究,进而阐明高分子微观结构与宏观性能的关联. 该文以固体NMR中最主要的2类核（¹H和¹³C）的检测技术为主线,简单介绍近年来固体NMR领域的一些最新研究进展及其在高分子结构和动力学研究中的应用.     

聚苯乙烯-聚丁二烯嵌段共聚物的固体NMR研究

采用我们前期发展的测定多相高聚物中界面相厚度及相区尺寸的NMR新方法对两种不同嵌段结构的聚苯乙烯-聚丁二烯嵌段共聚物进行了研究,并与关于界面相厚度的高分子物理理论结果进行对比. 该NMR方法采用偶极滤波-自旋扩散技术分别测定非界面相的柔性区与界面相中质子的百分含量,然后根据界面相与柔性相的几何关系计算界面相厚度. 研究结果表明这两种嵌段共聚物具有几乎相同的界面相厚度,该结果与Helfand等人关于多相高聚物中界面相厚度的自洽场理论预言基本符合.     

半刚性高分子链螺旋结构诱导纳米棒的有序结构

在自然界中, 螺旋结构广泛存在. 在熵的驱动下, 高分子链能在某些特殊情形下形成螺旋结构. 采用分子动力学方法研究了高分子链诱导纳米棒的自组装行为, 发现纳米棒/高分子链体系的构象与纳米棒的数量、高分子链的刚性等密切相关. 当纳米棒与高分子链之间存在适度吸附能时, 纳米棒能够形成三种完全不同的构象, 特别是在半刚性高分子链诱导下纳米棒能够形成线型排列. 研究结果对新型材料制备具有一定指导意义.     

PCL/SiO2杂化纳米相微结构与晶态成核生长特性

应用扫描电子显微镜、广角X射线衍射和差示扫描量热手段研究了有机高分子/无机组分间以物理次价力(氢键)键合的高分子量PCL/SiO2杂化材料纳米相微结构和PCL高分子链在该微结构环境中的结晶成核生长特性及其影响因素.研究结果表明:杂化体系中高分子/无机组分间的微相分离尺度在纳米数量级,高分子微区的平均相畴尺寸在70nm左右,无机相形态呈现不规则的颗粒状.两相均匀分布程度与体系中组分间的氢键键合强度有关.PCL杂化后结晶度减小,对应的微晶尺寸明显改变,平衡熔点随无机组成含量的增加而下降.高分子链在晶核表面折叠形成结晶结构所需的能量增加.这一结果归因于无机非晶SiO2和键合强度的影响.     

典型高分子材料的固体核磁共振研究

本论文通过固体核磁共振（NMR）谱及动力学参量的测量,并结合X-射线衍射技术和DSC测量等研究了两种典型高分子材料的相结构、链的运动以及相与相之间的关系.  乙烯-醋酸乙烯共聚物( EVA) 是最主要的乙烯共聚物之一. 研究发现,EVA的相组成非常复杂,共有5个不同的组分. 除了PE中所观察到的常规单斜晶相和刚性的正交晶相外,我们发现还存在第三个晶相分量－运动性较强的晶相（SOCP,可能是转动相）. 它不仅拥有自己的熔点,而且它的化学位移和分子运动性不同于刚性正交晶相（LOCP）. 另一方面,非晶相也由两种不同的分量组成：运动受限的各相异性的非晶界面相和高度可动的橡胶型的非晶相. 我们进一步详细研究了EVA中的晶区链动力学和非晶区的低温冻结行为. 实验发现,在正交晶相中,高分子链以180° flip-flop方式运动,同时伴随沿链方向的平移型跳跃运动,并引起正交晶相和非晶相之间的长程链扩散,通过NOE的测量证实了这种相间链扩散的存在,并进一步通过实验证实这种相间链扩散是一种受限扩散而不是自由扩散. 同时非晶相的两个组分具有不同的低温冻结行为：当温度低于-弛豫转变温度时,橡胶型的非晶相中的长程分子运动被冻结,但仍存在分子的局域运动;而界面非晶在低温时冻结成一种有序取向结构,并用质子自旋扩散实验证实该有序结构与正交晶相相邻近.  少量纳米级片层状粘土分散在聚合物中就可赋予材料许多优异的性能,我们用固体NMR技术对EVA/REC复合材料的结构和其中粘土的分散性质进行研究,发现上述复合材料中所形成的晶体类型不仅依赖于各组分的性质还依赖于所形成的复合材料的类型.  偏氟乙烯/三氟乙烯共聚物（P（VDF-TrFE））是最主要的铁电高聚物之一. 我们利用变温固体¹⁹F MAS NMR 谱及弛豫数据的测量详细研究了电子辐照对P(VDF-TrFE)共聚物的分子结构、构型、运动性以及相变等的影响. 发现,电子辐照不仅改变了分子链段的构型和运动性,同时也改变了局部分子化学结构. 电子辐照促使铁电相向顺电相(或者非晶相)转变,与此同时诱发了富含VDF和含-TrFE链段从全反式的构型到混合的反式-旁式构型的转变. 电子辐照加剧顺电区域中的分子运动而在高温熔融态中(>100 ℃）,分子的运动反而受限.     

亲水性两性离子聚合物刷的构象与结构

本文应用分子场理论,研究暴露于水蒸气中的亲水性两性离子聚合物(HP)刷的构象与结构.理论模型考虑HP-水(P-W)氢键和水-水(W-W)氢键效应,以及HP单体之间的偶极-偶极相互作用.研究发现,P-W与W-W氢键决定着HP的水合性,P-W氢键形成,会诱导HP刷溶胀.我们通过考察HP单体间的偶极-偶极相互作用发现,随着偶极-偶极相互作用增强,HP链在垂直培基表面沿着链方向,形成了结节状结构.这是由于HP单体之间的偶极-偶极静电吸引作用导致单体间汇聚结节,这种结节在刷内产生了较强的排斥体积作用,因此,这种HP刷具有抗污性能.在较高的接枝密度环境下,由于HP链间单体之间的偶极-偶极静电吸引作用,会形成链间单体-单体的结节,在刷内形成结节网络状凝胶结构,这种结构的出现,会使得HP刷呈现极强的抗污性.另外,当体系中水蒸气浓度增加、水合相互作用增强时,增加的P-W氢键将平衡HP单体之间的偶极-偶极相互作用,使得结节解开,聚合物链伸展.我们的理论结果符合实验观测,由此表明,P-W氢键效应,以及HP单体之间的偶极-偶极相互作用决定着HP刷的构象转变和结构特性,刷内出现的两性离子聚合物链内单体间的结节和链间单体结节状凝胶结构,是两性离子聚合物刷呈现较强抗污性的本质特性.     

极性分子摆动态的三体量子关联

极性分子具有较长的相干时间和较强的偶极-偶极相互作用,因此它被视为量子信息处理的有效量子载体.基于分子摆动态作为量子比特,研究了处于热平衡状态下三极性分子线性链系统的三体量子关联特性,分析了三体负性熵纠缠度、测量诱导扰动和三体量子失协随与电场强度、分子电偶极矩、分子转动常数、偶极-偶极相互作用和温度等参数有关的三个无量纲变量之间的变化关系.研究表明:在其他参数给定的情况下,随电场强度的增加,三体量子关联均变小;随偶极-偶极相互作用强度的增大,三体量子关联先增加到峰值再逐渐变小;温度越高,负性熵纠缠度和三体量子失协越小,但测量诱导扰动随温度的改变在电场强度和偶极-偶极相互作用影响下呈现不同的变化趋势.此外,通过调节电场强度、偶极-偶极相互作用和温度,可改变与操控极性分子摆动态的三体量子关联.     

两二能级原子在共同环境下的量子关联动力学

通过精确求解带有偶极-偶极相互作用的两个二能级原子与一个共同热库相互作用模型, 得到了两原子间量子纠缠和量子失谐(quantum discord)的解析表达式. 综合考虑了环境的非马尔可夫效应、原子间的偶极-偶极相互作用以及原子的本征频率同腔模中心频率之间的失谐量对两原子间量子纠缠和quantum discord的影响. 研究显示: 在非马尔可夫机制下, 且原子的本征频率与腔模中心频率是共振时, 当两原子初态处于纠缠态时, 原子间偶极-偶极相互作用可以显著抑制包括量子纠缠和quantum discord等量子关联的衰减, 更特别的是, 如果原子的本征频率同腔模中心频率有一定的失谐时, 利用原子间偶极-偶极相互作用可大大地延长两原子退纠缠的时间; 当两原子初态处于可分离态时, 从短时间来看, 原子间偶极-偶极相互作用可以提高量子纠缠和quantum discord振荡的振幅,而在长时间极限下, 原子间偶极-偶极相互作用不会改变量子纠缠和quantum discord达到的稳定值. 最后, 讨论了原子间偶极-偶极相互作用对量子纠缠和quantum discord动力学不同的影响. 关键词： 量子纠缠 量子失谐 共同环境 偶极-偶极相互作用     

高分子软物质动力学与NMR

高分子熔体或浓溶液中链段扩散和链的弛豫模式满足普适的物理定律,这些定律代表了高分子链动力学的普遍特征.核磁共振(NMR)则为我们直接验证这些物理定律或揭示高分子运动的基本规律提供了强有力的实验手段.本文介绍三个基本的高分子动力学模型(即Rouse模型,蛇行/管道模型和重整化Rouse模型)和以这三个理论模型为基础的NMR实验原理和技术.最后对相关的NMR实验结果进行了综述,并着重与理论模型所期待的结果进行了比较.     

甲基丙烯酸甲酯-萘乙烯共聚物的NMR研究Ⅱ.甲基丙烯酸甲酯-萘乙烯共聚物的核弛豫研究

用核弛豫研究了溶液中甲基丙烯酸甲酯-萘乙烯共聚物体系中高分子链间的凝聚态结构.通过对溶液中甲基丙烯酸甲酯-萘乙烯共聚物的变温¹³C NMR自旋-晶格弛豫的研究,发现此体系具有类似小分子在溶液中的弛豫特性.变温¹H NMR自旋-自旅弛豫呈现出双指数特性,弛豫快的部分随温度升高而减少对应于聚合物链间凝聚缠结的解缠,当温度继续升高时,主链的这种组分又开始增加,说明主链中形成新的缠结.研究结果还表明,在这种共聚物中,例基萘环的叠加较少.     

Pillar effects in MoS2 catalysts supported on Al and Zr pillared clays in a hydrotreatment reaction: A preliminary study

Molybdenum (Mo) supported on aluminum-pillared clay (Al-PILC) and zirconium-pillared clay (Zr-PILC) with contents of 0.6, 1.4 and 2.8 atoms of Mo/nm² were prepared and tested in the hydrogenation (HYD) of naphthalene (NP). It was found that the molybdenum sulfide (MoS₂) catalysts supported on Zr- pillared clays were more active than the samples supported on Al-pillared clays and catalysts supported on alumina. The catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis, nitrogen adsorption and transmission electron microscopy (TEM). Characterization analysis clearly pointed out to a close interaction of MoS₂ with ZrO₂ in the pillared clays. Therefore, the highest hydrogenation activities can be related to the presence of an interaction of MoS₂ with ZrO₂, probably with a different electronic interaction between the active phase and the support, than that reported for the MoS₂/Al₂O₃ system.     

杭锦2#土的光谱特征及非均相Fenton反应机理

杭锦2#土是内蒙古鄂尔多斯杭锦旗地区发现的层状含铁天然矿物,利用Ｘ射线衍射、吡啶吸附红外光谱及Ｘ射线光电子能谱技术对样品的性质进行了表征。X射线光电子能谱表明杭锦2#土骨架结构中Si和Al原子结合能与标准硅氧四面体和铝氧八面体中Si和Al结合能相比明显增加,表面存在Lewis酸位和Brönsted酸位,且杭锦2#土中铁物种以Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)形式存在于骨架结构中;非均相Fenton反应中杭锦2#土的Fe(Ⅱ)可与H₂O₂反应生成自由基(·OH)与Fe(Ⅲ),但反应速率慢且难以循环。酸活化后杭锦2#土中Si和Al的结合能进一步增加,铁物种部分转变为非结构铁并以Fe3+与Fe2+转移到样品表面;X射线光电子能谱、吡啶红外和氨气程序升温表征表明酸活化杭锦2#土表面Lewis酸位和Brönsted酸位增多;非均相Fenton反应中,酸活化杭锦2#土表面Fe3+与Fe2+可与H₂O₂循环反应,不断生成·OH并对甲基橙进行降解,且活化杭锦2#土表面Brönsted酸能够提供质子将H₂O₂包围,抑制其分解生成HO-₂并提供更多的·OH,Lewis酸能增加杭锦2#土表面吸附氧（O_ad）含量,而Fe2+可被O_ad氧化为Fe3+,促进Fe2+/Fe3+之间的循环,同时在氧化过程中电子转移到O_ad形成O·-₂,O·-₂能够与Brönsted酸提供的质子反应形成·OH,·OH与O·-₂均为氧化性自由基,能够提升活化杭锦2#土非均相Fenton反应活性。此外,X射线衍射表明酸活化使杭锦2#土中CO2-₃转化为对Fenton反应负面影响更小的SO2-₄进而提升其非均相Fenton反应活性。     

Properties of Waterborne Polyurethanes Based on Polycarbonate Diol Reinforced with Organophilic Clay

Abstract

Nanocomposite of waterborne polyurethane (PU) based on poly(hexamethylene carbonate) diol reinforced by organophilic clay was prepared. Exfoliation of silicate layer in PU was confirmed by x-ray diffraction pattern and transmission electron microscopy. Reinforcing effect of clay was examined by observing dynamic mechanical properties, tensile properties, and shore A hardness. The modulus increased as the content of clay in PU matrix was increased, and this increase was more evident when the PU matrix becomes soft at the temperature range above the glass transiton temperature of soft segment. Water swell was decreased and thermal resistance was increased as the content of clay was increased. Reduction of transparency by added clay was marginal.     

Effect of sodium substitution on superconductivity in Bi-based (2212) system

Samples with the nominal composition Bi₂Sr₂Ca_1−xNa_xCu₂O_y (if with X = 0.05, 0.2, 0.4 and 0.5) were prepared by the solid state reaction method. The role of Na and the effect of various heat treatments in the 2212 composition were studied. From the X-ray diffraction data it is found that the samples annealed for longer duration have shown a single phase 2212. From the DC four-probe resistivity data, it was found that the T_c (zero) varies from 79 to 89 K. It is believed that doping with an alkali element would reduce the oxygen content due to monovalency and gives an effect similar to that during heat treatment under low oxygen pressure or quenching. The presence of sodium in the samples was confirmed by electron probe microanalysis.     

PHASE TRANSITIONS IN Bi2Sr2(Cu1-zFez)O6+δ

We have investigated, by X-ray diffraction, a series of single crystals of Bi-based oxides with the nominal composition Bi₂Sr₂(Cu_1-zFe_z)O_6+δ(0≤z≤0.55). In this system we observed two structural phase transitions with the increase of the doping content. The first transition, from an incommensurate monoclinic phase to an incommensurate orthorhombic phase, occurs at a doping content of iron z_Fe=0.027. The second one corresponds to a phase transition from an incommensurate orthorhombic phase to a commensurate orthorhombic phase at z_Fe=0.34. The comparison of these results with those for more limited substitutions of Zn and Ni indicates the significant role of the insertion of the extra oxygen in the (Bi-O)_∞ double layers.     

元代都城琉璃瓦釉层的EDXRF和SEM-EDS分析

元代的琉璃瓦制作技术承自宋辽,对明清产生重要影响,是中国琉璃瓦制作技术发展的过渡时期。元上都与元中都所使用的琉璃瓦,代表了元代早期和中期琉璃瓦制作技术的最高水平。为探索元代不同时期琉璃瓦的制作技术和工艺特点,结合考古资料与相关文献,以X射线荧光光谱法（EDXRF）为基础,结合扫描电镜与能谱仪（SEM-EDS）,对元上都遗址、元中都遗址出土琉璃瓦样品釉层组成进行了测定。分析结果显示,元上都与元中都釉层包括釉与化妆土,化妆土厚度在122~260 μm之间。元上都孔雀蓝釉琉璃瓦釉料属于PbO-K₂O-SiO₂体系,和元大都孔雀蓝釉组成相似,原料组成为石英、硝、铅末、铜末;蓝釉琉璃瓦化妆土结构致密,CaO与SiO₂含量大于20%,原料可能是钙长石与黏土,应是釉料的一部分。元上都绿釉与元中都绿釉黄釉琉璃瓦釉同为PbO-SiO₂体系,基本原料组成都为石英,铅末,着色剂分别为铜与铁。元上都绿釉配方与北宋时期的接近,釉料配方也符合《营造法式》记载,但逐渐减少铅的比例为获得更浅的釉色,在元中期逐渐稳定;元中都黄釉琉璃瓦釉料铅硅比与元大都相近,配方在元中期探索中逐渐固定,沿用至明代早期,是提升明中期釉料的基础;两处遗址绿釉琉璃瓦与元中都黄釉琉璃瓦化妆土与胎釉结合紧密,Ca含量很高,厚度较薄,很可能是石灰浆[Ca(OH)₂],工匠在施加化妆土时既节约成本又能提高产品质量。三种釉色分别属于PbO-K₂O-SiO₂与PbO-SiO₂两种体系,组成原料差异明显,都用于建筑装饰,极大丰富了琉璃釉色,化妆土的应用在琉璃技术中也是一项创新。能量色散X射线荧光光谱具有分析快速、状态稳定的特点,已在琉璃瓦测试研究中得到普及,而元上都元中都琉璃瓦釉层的研究结果,补充了元代琉璃瓦的研究资料,并对探索中国琉璃瓦工艺发展历程提供一定科学依据。     

Effect of Unplasticized Poly Vinyl Chloride (UPVC) Molecular Weight and Graft-Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (g-ABS) Content on Compatibility and Izod Impact Strength of UPVC/g-ABS Blends

In this study three grades of rigid poly vinyl chloride (PVC) having different molar masses were melt blended with graft-acrylonitrile-butadiene-styrene (g-ABS) in different compositions. The effect of PVC molecular weight and g-ABS composition on the compatibility and Izod impact strength of the blends were investigated. Differential scanning calorimetry (DSC) results showed a single glass transition temperature (T_g) for all the blends, representative of miscibility between the PVC phase and the styrene-acrylonitrile copolymer (SAN) phase of g-ABS which, in turn, led to compatibility of the PVC/g-ABS blends. It was observed that in all the PVC grades the blends Izod impact strength increased with increasing g-ABS content. Also, at a given composition of g-ABS, by increasing the molecular weight of the PVC phase the impact strength of the blends increased. The morphology of the fracture surfaces from the impact tests were analyzed using scanning electron microscopy (SEM) micrographs and the results showed that with increasing g-ABS content in the blend, cloudy regions increased and eventually begin to overlap each other, and the deformed material on the fracture surfaces increased. This was attributed to the blend compatibility causing greater energy dissipation in the fracture process.     

富铁原料对铁系析晶釉的影响机制初探

黑釉瓷是我国古代最普遍的色釉瓷品种之一,由于原料易得,故各地都有烧造,尤其在宋代得到迅猛发展.目前,在古代黑釉中已发现α-Fe2 O3,ε-Fe2 O3,Fe3 O4等多种铁的氧化物析晶,但关于富铁原料对晶体种类的影响机制却鲜有报道.因此,本研究以汝州大峪青石头、红石头和杭州紫金土作为研究对象,采用超景深显微镜、X射线...     

Electronic structure of (Nd, Ce)2(Ba, Nd)2Cu3Oy

The dependence of T_c on oxygen content was determined for (Nd_0.67Ce_0.33)₂(Ba_0.67Nd_0.33)₂Cu_3.01O_y. It was found that superconduction appears in a range of y=9.10−9.16 and that T_c is enhanced remarkably by the increase of oxygen content. In an oxygen content range where superconduction appeared, the Ce valence was nearly +4 and the Cu valence changed from 2.31 to 2.33. The conductivity was measured in a wide temperature range between T_c and 1200 K as a function of oxygen partial pressure. The high-temperature conductivity increased with increasing oxygen content. It was found that both carrier concentration and mobility are increased with oxygen content. The conduction at low temperatures was semiconductor-like, and increased with increasing oxygen content, where the energy gap E_A-E_V between acceptor level and top of filled band approached zero.     

固体高分辨NMR研究PPU/PMAs,AB-交联聚合物中的分子运动和相容性

本文使用固体高分辨NMR测量了PPU/PMAs,AB-交联聚合物中PPU的侧甲基的¹³C自旋-晶格弛豫时间(T₁)。使用内旋转运动的平均谱密度函数分析了PPU侧甲基的内旋转和PMA的侧基的多重内旋转运动。结果表明PMA中的侧基距主链越远,其旋转速度越快并且PPU侧甲基的内旋转速度随ABCP中PMA侧链长度增加而变快。还使用质子的T_1ρ和T₂及自旋扩散研究了体系的相容性和相行为。得到了有关相应尺度下的每相的组成和软相微区尺度的信息。